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西門子S7-300系列PLC的指令系統(tǒng)和編程規(guī)則 

STEP7是與西門子公司SIMATIC　S7系列

plc

相配套的支持用戶開發(fā)應(yīng)用程序的軟件包，在STEP7中，S7系列PLC的編程語言非常豐富，有LAD（梯形圖），STL（語句表），SCL（標(biāo)準(zhǔn)控制語言），GRAPH（順序控制），HiGraph（狀態(tài)圖），CFC（連續(xù)功能圖），C　for　S7（C　語言）等，用戶可以選擇一種語言編程，如果需要，也可混合使用幾種語言編程。這些編程語言都是面向用戶的，它使控制程序的編寫工作大大簡化，對用戶來說，開發(fā)、輸入、調(diào)試和修改程序極為方便。

本文主要介紹常用的語句表和梯形圖編程語言。STEP7標(biāo)準(zhǔn)軟件包支持這兩種編程語言的互相轉(zhuǎn)換。語句表和梯形圖語言是一個(gè)完備的指令系統(tǒng)，支持結(jié)構(gòu)化編程方法。指令系統(tǒng)包括二進(jìn)制操作、數(shù)字運(yùn)算、組織功能和功能塊編程等。二進(jìn)制操作又稱為位邏輯操作，它可以對二進(jìn)制操作數(shù)的信號(hào)進(jìn)行掃描并完成邏輯運(yùn)算。

西門子S7-300系列PLC的基本指令系統(tǒng)包括位邏輯指令、定時(shí)器與計(jì)數(shù)器指令、數(shù)據(jù)處理功能指令、數(shù)據(jù)運(yùn)算指令和控制指令。

一、指令及其結(jié)構(gòu)

指令時(shí)程序的最小獨(dú)立單元，用戶程序是由若干條順序排列的指令構(gòu)成的。對應(yīng)語句表和梯形圖兩種編程語言，指令也有語句指令與梯形邏輯指令之分。他們的表達(dá)形式不同，但表示的內(nèi)容是相同或類似的。

1、指令的組成

1）語句指令

一條指令由一個(gè)操作碼和一個(gè)操作數(shù)組成，操作數(shù)由標(biāo)識(shí)符和參數(shù)組成。操作碼定義要執(zhí)行的功能，它告訴CPU該做什么；操作數(shù)為執(zhí)行該操作所需要的信息，它告訴CPU用什么去做。有些語句指令不帶操作數(shù)，它們操作的對象是惟一的。

2）梯形邏輯指令

梯形邏輯指令用圖形元素表示PLC要完成的操作。在梯形邏輯指令中，其操作碼是用圖素表示的，該圖素形象地表明CPU做什么，其操作數(shù)的表示方法與語句指令相同。梯形邏輯指令也可不帶操作數(shù)。

2、操作數(shù)

1）標(biāo)識(shí)符及表示參數(shù)

指令的操作數(shù)一般位于PLC的存儲(chǔ)器中，此時(shí)操作數(shù)由操作數(shù)標(biāo)識(shí)符和參數(shù)組成。操作數(shù)標(biāo)識(shí)符告訴處理器操作數(shù)放在存儲(chǔ)器的哪個(gè)區(qū)域及操作數(shù)位數(shù)；標(biāo)識(shí)參數(shù)則進(jìn)一步說明操作數(shù)在該存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)的具體位置。

操作數(shù)標(biāo)識(shí)符由主標(biāo)識(shí)符和輔助標(biāo)識(shí)符組成。主標(biāo)識(shí)符表示操作數(shù)所在的存儲(chǔ)區(qū)，輔助標(biāo)識(shí)符進(jìn)一步說明操作數(shù)的位數(shù)長度。若沒有輔助標(biāo)識(shí)符，則指操作數(shù)的位數(shù)是1位。

主標(biāo)識(shí)符有I（輸入過程映像存儲(chǔ)區(qū)）、Q（輸出過程映像存儲(chǔ)區(qū)）、M（位存儲(chǔ)區(qū)）、PI（外部輸入）、PQ（外部輸出）、T（定時(shí)器）、C（計(jì)數(shù)器）、DB（數(shù)據(jù)塊）、L（本地?cái)?shù)據(jù)）等；輔助標(biāo)識(shí)符有X（位）、B（字節(jié)）、W（字——2字節(jié)）、D（雙字——4字節(jié)）。PLC物理存儲(chǔ)器是以字節(jié)為單位的，所以存儲(chǔ)單元規(guī)定為字節(jié)單元。位地址參數(shù)用一個(gè)點(diǎn)與字節(jié)地址分開，如M　10.1。當(dāng)操作數(shù)長度是字或雙字時(shí)，標(biāo)識(shí)符后給出的標(biāo)識(shí)參數(shù)是字或雙字內(nèi)的最低字節(jié)單元號(hào)。當(dāng)使用寬度為字或雙字的地址時(shí)，應(yīng)保證沒有生成任何重疊的字節(jié)分配，以免造成數(shù)據(jù)讀寫錯(cuò)誤。圖1給出了字節(jié)、字、雙字的相互關(guān)系及表示方法。

圖1　以字節(jié)單元為基準(zhǔn)標(biāo)記存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元

S7　PLC的存儲(chǔ)區(qū)及其功能見表7-4，表中給出的最大地址范圍不一定是實(shí)際可使用的地址范圍，可使用的地址范圍由CPU得型號(hào)和硬件配置決定。

表1　存儲(chǔ)區(qū)及其功能

2）操作數(shù)的表示方法

在STEP7中，操作數(shù)有兩種表示方法：一是物理地址（地址）表示法，二是符號(hào)地址表示法。用物理地址表示操作數(shù)時(shí)，要明確指出操作數(shù)所在的存儲(chǔ)區(qū)，該操作數(shù)的位數(shù)和具體位置。例如，Q4.0是用物理地址表示的操作數(shù)，其中Q表示這是一個(gè)在輸出過程映像區(qū)中的輸出位，具體位置是第4個(gè)字節(jié)的第0位。

STEP7允許用符號(hào)地址表示操作數(shù)，如Q4.0可用符號(hào)名MOTOR_ON替代表示，符號(hào)名必須先定義后使用，而且符號(hào)名必須是惟一的，不能重名。定義符號(hào)時(shí)，需要指明操作數(shù)所在的存儲(chǔ)區(qū)，操作數(shù)的位數(shù)、具體位置及數(shù)據(jù)類型。

在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，有大量的數(shù)字量及模擬量的控制裝置，例如電機(jī)的起停，電磁閥的開閉，產(chǎn)品的計(jì)數(shù)，溫度、壓力、流量的設(shè)定與控制等，工業(yè)現(xiàn)場中 的這些自動(dòng)控制問題，若采用可編程序控制器（PLC）來解決自動(dòng)控制問題已成為較有效的工具之一。

    硬件選購目前市場上的PLC產(chǎn)品眾多，除國產(chǎn)品牌外，國外有：日本的 OMRON、MITSUBISHI、FUJJ、anasonic,德國的SIEMENS，韓國的LG等。近幾年，PLC產(chǎn)品的價(jià)格有較大的下降，其性價(jià)比 越來越高，這是眾多技術(shù)人員選用PLC的重要原因。

    那么，如何選購PLC產(chǎn)品呢?

      1、系統(tǒng)規(guī)模首先應(yīng)確定系統(tǒng)用PLC單機(jī)控制，還是用PLC形成網(wǎng)絡(luò)，由此計(jì)算PLC輸入、輸出點(diǎn)。數(shù)，并且在選購PLC時(shí)要在實(shí)際需要點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上留有一定余量（10%）。

     2、確定負(fù)載類型根據(jù)PLC輸出端所帶的負(fù)載是直流型還是交流型，是大電流還是小電流，以及PLC輸出點(diǎn)動(dòng)作的頻率等，從而確定輸出端采用繼電器輸出，還是晶體管輸出，或品閘管輸出。不同的負(fù)載選用不同的輸出方式，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是很重要的。

     3、存儲(chǔ)容量與速度盡管國外各廠家的PLC產(chǎn)品大體相同，但也有一定的區(qū)別。目前還未發(fā)現(xiàn)各公司之間*兼容的產(chǎn)品。各個(gè)公司的開發(fā)軟件都不相同，而用戶 程序的存儲(chǔ)容量和指令的執(zhí)行速度是兩個(gè)重要指標(biāo)。一般存儲(chǔ)容量越大、速度越快的PLC價(jià)格就越高，但應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的大小合理選用PLC產(chǎn)品。

     4、編程器的選購PLC編程可采用三種方式：

    是用一般的手持編程器編程，它只能用商家規(guī)定語句表中的語句編程。這種方式效率低，但對于系統(tǒng)容量小，用量小的產(chǎn)品比較適宜，并且體積小，易于現(xiàn)場調(diào)試，造價(jià)也較低。

    是用圖形編程器編程，該編程器采用梯形圖編程，方便直觀，一般的電氣人員短期內(nèi)就可應(yīng)用自如，但該編程器價(jià)格較高。

     是用IBM個(gè)人計(jì)算機(jī)加PLC軟件包編程，這種方式是效率最高的一種方式，但大部分公司的PLC開發(fā)軟件包價(jià)格昂貴，并且該方式不易于現(xiàn)場調(diào)試。

    因此，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的大小與難易，開發(fā)周期的長短以及資金的情況合理選購PLC產(chǎn)品。

       5、盡量選用大公司的產(chǎn)品其質(zhì)量有保障，且技術(shù)支持好，一般售后服務(wù)也較好，還有利于你的產(chǎn)品擴(kuò)展與軟件升級。

小型PLC的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 PLC的分類

隨著自動(dòng)化程度的提高，小型plc的應(yīng)用領(lǐng)域比以前更為廣泛，越來越多的行業(yè)開始使用小型PLC。小型PLC產(chǎn)品更加多元化，不僅有知名度很高的國際，國內(nèi)一些自動(dòng)化企業(yè)也看到小型PLC廣大的市場，紛紛推出自主的小型PLC產(chǎn)品，這為不同細(xì)分市場的中國用戶提供了更多的選擇。 

　　我個(gè)人還是建議大家使用知名的產(chǎn)品，因?yàn)椋瑥募夹g(shù)角度來講，保證PLC在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下的高可靠性仍然是很多新加入小型PLC領(lǐng)域的廠家面臨的技術(shù)難題。從創(chuàng)新角度來講，持續(xù)的大規(guī)模的研發(fā)投入是不斷創(chuàng)新，滿足市場的日益增長的需求的保證，而這種投入對許多廠家來說也是很大的考驗(yàn)。從市場開發(fā)角度來看，大廠商擁有明顯的強(qiáng)勢行業(yè)和領(lǐng)域，擁有優(yōu)勢行業(yè)的核心技術(shù)，成熟的解決方案，和適合行業(yè)和市場開發(fā)的銷售網(wǎng)絡(luò)。西門子小型PLC經(jīng)過十多年的市場考驗(yàn)，品牌與服務(wù)已經(jīng)得到了市場的廣泛認(rèn)可，這不僅靠市場宣傳，更靠優(yōu)秀的產(chǎn)品品質(zhì)和完整的解決方案。 

　　近幾年自動(dòng)化產(chǎn)品用戶除了可靠穩(wěn)定性、性價(jià)比等因素之外，越來越重視項(xiàng)目的維護(hù)成本，現(xiàn)在中國用戶都已將維護(hù)成本列入整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的成本中。西門子小型PLC為用戶提供靈活多樣的遠(yuǎn)程服務(wù)解決方案，可以基于固定電話，網(wǎng)絡(luò)，GPRS無線通訊等，為客戶后期維護(hù)節(jié)約可觀的成本。為了進(jìn)一步為廣大用戶降低成本，2005年，西門子成功完成了S7-200PLC的本地化生產(chǎn)，同時(shí)還本地化生產(chǎn)了S7-200PLC觸摸屏KTP-178和四行中文文本顯示器TD400，進(jìn)一步提高了西門子小型PLC整體解決方案的性價(jià)比，開放性已達(dá)到同類品牌中型機(jī)水平，支持PPI、RS-485、Profibus－DP、以太網(wǎng)等多種通訊協(xié)議，保證了*的無縫連接。 
　 我認(rèn)為小型PLC的*會(huì)持續(xù)保持快速的發(fā)展。隨著中國加入WTO，出口額逐年提高，中國正逐步成為全球機(jī)械設(shè)備的制造基地，使得國內(nèi)OEM廠商迅猛發(fā)展。一些OEM廠商為了避免激烈競爭，追求更高的利潤，將用小型PLC替代繼電器或單片機(jī)控制方案。而且，小型PLC不再僅僅進(jìn)行單機(jī)單站的控制，工廠信息化的潮流將會(huì)使更多的生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行集中監(jiān)控。西門子小型PLC開放的平臺(tái)為工廠生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和工廠信息化提供了可能性，使客戶無需增加額外的硬件投資即可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

PLC及其體系結(jié)構(gòu)

2.1plc的定義plc稱為可編程序控制器，它是按照成熟而有效的繼電器控制概念和設(shè)計(jì)思想，利用不斷發(fā)展的新技術(shù)、新電子器件，逐步形成了具有特色的各種系列產(chǎn)品，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子計(jì)算機(jī)。它是將邏輯運(yùn)算，順序控制，時(shí)序和計(jì)數(shù)以及算術(shù)運(yùn)算等控制程序，用一串指令的形式存放到存儲(chǔ)器中，然后根據(jù)存儲(chǔ)的控制內(nèi)容，經(jīng)過模擬，數(shù)字等輸入輸出部件，對生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的裝置。 

2.2plc的發(fā)展歷程1969年dec公司按照gm（美國通用汽車公司）的要求研制了世界上*臺(tái)plc并且在gm公司得到成功的應(yīng)用。此后公司使plc商品化。plc是專門設(shè)計(jì)出來用于同繼電器產(chǎn)品競爭并逐步取代了傳統(tǒng)的繼電器。plc作為一種工業(yè)計(jì)算機(jī)，經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展的歷程。 

1969－1972為*階段，是plc的初期階段，在該階段的各廠家的plc差別很大、沒有統(tǒng)一的硬件和軟件標(biāo)準(zhǔn)、功能簡單、性強(qiáng)，硬件主要以分離元件為主，體積較大、性能較差、可靠性不高。 

1972-為第二階段，在該階段plc逐步演化為一種的工業(yè)計(jì)算機(jī)，可靠性大大提高，成本大幅度降低，面向過程的梯形圖和語句表語言面世，系統(tǒng)逐步向標(biāo)準(zhǔn)化過渡，這些都為plc的普及奠定了基礎(chǔ)。 

1981-至今，iec正式發(fā)表了plc的標(biāo)準(zhǔn)，各廠家的plc都向規(guī)范化發(fā)展。梯形圖、語句表、sfc語言已經(jīng)成熟，同時(shí)還有和高級編程語言的接口，其存儲(chǔ)能力、運(yùn)算速度、對模擬量的處理功能已經(jīng)大大加強(qiáng)，現(xiàn)在的大中型plc已經(jīng)具有以前dcs所“*”的經(jīng)典pid算法、斜坡函數(shù)、自適應(yīng)算法、模糊控制等算法。 

2.3 plc特點(diǎn)和功能 

（1）plc的主要特點(diǎn)。plc的特點(diǎn)是：工作可靠、運(yùn)行速度快、積木式結(jié)構(gòu)、組合靈活、良好的兼容性、程序編制及生成簡單、豐富、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)。 

（2）plc的主要功能。plc系統(tǒng)能很好的完成工業(yè)實(shí)時(shí)順序控制、條件控制、記數(shù)控制、步進(jìn)控制等功能；能夠完成模/數(shù)（a/d）、數(shù)/模（d/a）轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、通訊聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。 

多年的實(shí)踐表明，plc耐用、可靠，是專為工廠設(shè)計(jì)的，具有根據(jù)工作環(huán)境要求加固的元件，實(shí)時(shí)掃描實(shí)踐及故障診斷功能，故障排除簡便，深得用戶偏愛。 

plc如此可靠的原因是一個(gè)可執(zhí)行繼電器邏輯、順序功能圖、功能塊、結(jié)構(gòu)文本、命令目錄或其組合的實(shí)時(shí)核心或操作系統(tǒng)。若出現(xiàn)故障，其內(nèi)置安全裝置能保持機(jī)械受損，且能保持有序、有預(yù)見的順序。 

2.4 plc的發(fā)展趨勢 

      有極快的邏輯運(yùn)算和*的邏輯控制、順序控制能力，在離散控制中有的可靠性，方便簡單易學(xué)的編程方法，使其在以離散為主的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中有*的領(lǐng)導(dǎo)地位。

全球工業(yè)計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域，圍繞開放與再開放過程控制系統(tǒng)、開放式過程控制軟件、開放性數(shù)據(jù)通信協(xié)議，已經(jīng)發(fā)生巨大變革，幾乎到處都有plc，但這種趨勢也許不會(huì)繼續(xù)發(fā)展下去。隨著軟plc(softplc)控制組態(tài)軟件技術(shù)的誕生與進(jìn)一步完善和發(fā)展，安裝有softplc組態(tài)軟件和基于工業(yè)pc控制系統(tǒng)的*正在逐步得到增長，這些事實(shí)使傳統(tǒng)plc供應(yīng)商在思想上已經(jīng)發(fā)生了戲劇性的變化，他們必須面對現(xiàn)實(shí)，在傳統(tǒng)plc的技術(shù)發(fā)展與提高方面做出更加開放的高姿態(tài)。對于控制軟件來講，這是plc控制器的核心，plc供應(yīng)商正在向工業(yè)用戶提供開放式的編程組態(tài)工具軟件，而且對于工業(yè)用戶表現(xiàn)得非常積極。此外，開放式通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了突破，其結(jié)果是將plc融入更加開放的工業(yè)控制行業(yè)。

　?。?）過程控制和管理功能。隨著plc、dcs和ipc（工業(yè)現(xiàn)場控制用計(jì)算機(jī)）之間的競爭逐步加強(qiáng)，各plc廠家正在逐步將傳統(tǒng)dcs所*的過程控制功能逐步移植到plc中，使其在過程控制領(lǐng)域能夠與dcs進(jìn)行競爭，這方面plc已經(jīng)取得了很大的成果。為了滿足生產(chǎn)管理的需要,各plc廠家也在其軟件開發(fā)上增加了管理軟件，通過與其plc 的實(shí)時(shí)通訊采集現(xiàn)場數(shù)據(jù) 
并通過相應(yīng)的軟件完成生產(chǎn)管理所需要的管理功能。

利用PLC進(jìn)行程序編制時(shí)，為了減少指令條數(shù)，節(jié)省內(nèi)存和提高運(yùn)行速度，應(yīng)掌握以下編程技巧。

(1)把串聯(lián)觸點(diǎn)多的電路編在上方，如圖8-4所示，可見（b）形式減少使用ORB指令或多重輸出指令等。

(2)并聯(lián)觸點(diǎn)多的電路放在左邊，如圖8-5所示，可見（b）形式減少使用ANB指令。

(3)多重輸出電路，將串聯(lián)接點(diǎn)多的電路放在下邊，如圖8-6所示，可以不使用MPS、MPP指令等。

(4)如果電路復(fù)雜，采用ANB、ORB等指令實(shí)現(xiàn)比較困難時(shí)，可以重復(fù)使用一些觸點(diǎn)改成等效電路，再進(jìn)行編程，如圖8-7所示。

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